ES2657977T3 - Energy conversion cell with electrochemical conversion unit - Google Patents
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Abstract
Célula de conversión de energía (2) con una unidad de conversión electroquímica (4), donde la célula de conversión de energía (2) comprende una cara eléctricamente positiva (6) con una alimentación de gas de proceso (8) y una cara eléctricamente negativa (10) y entre ambas caras está dispuesta la unidad de conversión electroquímica (4), que presenta un sustrato autoportante y varias capas funcionales (28), caracterizada porque la unidad de conversión electroquímica (4) presenta un electrodo positivo (12) y un electrodo negativo (14) y porque el electrodo negativo (14) comprende un sustrato metálico poroso autoportante (16) y porque la unidad de conversión electroquímica (4) presenta un conjunto de sucesión estratigráfica, que sobre el sustrato metálico poroso autoportante (16) comprende aún las siguientes capas funcionales (28) en la secuencia indicada: una capa funcional (30) del electrodo negativo (14), una capa de electrolito (32), una capa funcional (34) del electrodo positivo (12), la capa de contacto (18) y la capa autoportante eléctricamente conductora (20) del electrodo positivo (12), donde entre la capa de electrolito (32) y la capa funcional (34) del electrodo positivo (12) está dispuesta una capa de barrera de difusión (30).Energy conversion cell (2) with an electrochemical conversion unit (4), where the energy conversion cell (2) comprises an electrically positive face (6) with a process gas feed (8) and an electrically positive face negative (10) and between both faces the electrochemical conversion unit (4) is arranged, which has a self-supporting substrate and several functional layers (28), characterized in that the electrochemical conversion unit (4) has a positive electrode (12) and a negative electrode (14) and because the negative electrode (14) comprises a self-supporting porous metal substrate (16) and because the electrochemical conversion unit (4) presents a set of stratigraphic succession, which on the self-supporting porous metal substrate (16) It still comprises the following functional layers (28) in the indicated sequence: a functional layer (30) of the negative electrode (14), an electrolyte layer (32), a functional layer (34) of the positive electrode (12) , the contact layer (18) and the electrically conductive self-supporting layer (20) of the positive electrode (12), where between the electrolyte layer (32) and the functional layer (34) of the positive electrode (12) is arranged a layer diffusion barrier (30).
Description
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DESCRIPCIONDESCRIPTION
Célula de conversión de energía con unidad de conversión electroquímicaEnergy conversion cell with electrochemical conversion unit
Las baterías recargables de electrolito sólido-metal-aire, aunque también las células de combustible del tipo SOFC tienen elementos de base cerámicos como una capa de electrolito de óxido de circonio, así como cerámicas de óxido como cátodos y ánodos y/o como electrodos positivos o negativos. El conjunto de electrodos cerámicos de óxido, así como electrolitos sólidos, se denomina además como ensamble membrana - electrodo (del inglés: membrane electrode assembly, MEA) y posibilita la transformación de la energía eléctrica en química y viceversa. Para almacenar la energía en dicha batería de electrolito sólido-metal-aire es útil un par redox de metal y óxido metálico como por ejemplo hierro y óxido de hierro en diferentes estados de oxidación y/o níquel y óxido de níquel. En este contexto, el oxígeno se lleva a través de un par redox, en el caso más simple H2/H20, desde el electrodo negativo hasta la superficie del medio de almacenamiento. Un problema subyacente de tales baterías descritas aunque también en otras células de conversión de energía, que dependen de las estructuras MEA de cerámica de óxido bastante frágiles, es en cada caso el contacto eléctrico de estas estructuras MEA, pues la capa de electrolito cerámica de óxido posee sólo baja conductividad y capacidad de conducción de corriente. Además, estos MEA son estructuras relativamente frágiles, donde durante el montaje de varias células de conversión de energía para formar pilas, para pequeñas tolerancias de fabricación, pueden producirse altas tensiones internas en el MEA. Sin embargo, la estructura descrita sólo puede comprobarse eléctricamente respecto a sus propiedades eléctricas en estado ensamblado.Solid-metal-air electrolyte rechargeable batteries, although SOFC type fuel cells also have ceramic base elements such as a zirconium oxide electrolyte layer, as well as oxide ceramics such as cathodes and anodes and / or as positive electrodes or negative The set of ceramic oxide electrodes, as well as solid electrolytes, is also referred to as a membrane electrode assembly (English: membrane electrode assembly, MEA) and enables the transformation of electrical energy into chemistry and vice versa. To store the energy in said solid-metal-air electrolyte battery, a redox pair of metal and metal oxide such as iron and iron oxide in different oxidation and / or nickel and nickel oxide states is useful. In this context, oxygen is carried through a redox pair, in the simplest case H2 / H20, from the negative electrode to the surface of the storage medium. An underlying problem of such batteries described although also in other energy conversion cells, which depend on the quite fragile oxide MEA ceramic structures, is in each case the electrical contact of these MEA structures, as the oxide ceramic electrolyte layer It has only low conductivity and current conduction capacity. In addition, these MEAs are relatively fragile structures, where during the assembly of several energy conversion cells to form batteries, for small manufacturing tolerances, high internal stresses can occur in the MEA. However, the described structure can only be checked electrically for its electrical properties in the assembled state.
El objeto de la invención consiste en proporcionar una célula de conversión de energía, particularmente una célula de almacenamiento de energía, que, en comparación con el estado actual de la técnica, tenga un coste de fabricación reducido, donde sea posible un montaje sin carga del MEA, cuyas propiedades eléctricas puedan comprobarse de nuevo antes del montaje.The object of the invention is to provide an energy conversion cell, particularly an energy storage cell, which, in comparison with the current state of the art, has a reduced manufacturing cost, where a load-free assembly of the MEA, whose electrical properties can be checked again before assembly.
La solución del objeto consiste en una célula de conversión de energía con una unidad de conversión electroquímica según la reivindicación 1.The solution of the object consists of an energy conversion cell with an electrochemical conversion unit according to claim 1.
La célula de conversión de energía conforme a la invención con una unidad de conversión electroquímica tiene una cara eléctricamente positiva con una alimentación del gas de proceso, así como una cara eléctricamente negativa. Entre ambas caras se dispone la unidad de conversión electromecánica. Esta unidad de conversión electroquímica presenta un sustrato autoportante y varias capas funcionales. La unidad de conversión se caracteriza porque presenta un electrodo positivo y un electrodo negativo y porque el electrodo negativo comprende un sustrato metálico poroso autoportante.The energy conversion cell according to the invention with an electrochemical conversion unit has an electrically positive face with a process gas feed, as well as an electrically negative face. Between both sides the electromechanical conversion unit is arranged. This electrochemical conversion unit has a self-supporting substrate and several functional layers. The conversion unit is characterized in that it has a positive electrode and a negative electrode and because the negative electrode comprises a self-supporting porous metal substrate.
La unidad de conversión aquí descrita tiene su origen en sus aspectos fundamentales en el ensamble membrana - electrodo (MEA) ya descrito, aunque se distingue de los MEAs convencionales esencialmente en que el sustrato autoportante, que presenta también un MEA, está formado en este caso por un cuerpo poroso autoportante. Como material para ello han demostrado ser apropiadas particularmente una aleación a base de hierro o una aleación a base de níquel. Pueden emplearse asimismo otras aleaciones que sean correspondientemente resistentes a la temperatura y a la oxidación. En este contexto se trata de una estructura portadora, o sea un sustrato autoportante, que sea al mismo tiempo eléctricamente conductor, lo que conlleva que se elimine un contacto del MEA, como era necesario en el estado actual de la técnica. Los electrones se disipan lateralmente a través del sustrato metálico poroso autoportante y se introducen lateralmente a través de una derivación de flujo lateral en un circuito. En este contexto, por consiguiente, se trata de una integración de la derivación de flujo en un ensamble membrana - electrodo.The conversion unit described here has its origin in its fundamental aspects in the membrane-electrode (MEA) assembly already described, although it differs from conventional MEAs essentially in that the self-supporting substrate, which also has an MEA, is formed in this case for a self-supporting porous body. As the material for this, an iron-based alloy or a nickel-based alloy has proved particularly suitable. Other alloys that are correspondingly resistant to temperature and oxidation can also be used. In this context it is a carrier structure, that is to say a self-supporting substrate, which is at the same time electrically conductive, which implies that a contact of the MEA is eliminated, as was necessary in the current state of the art. The electrons dissipate laterally through the self-supporting porous metal substrate and are introduced laterally through a lateral flow bypass in a circuit. In this context, therefore, it is an integration of the flow bypass into a membrane-electrode assembly.
La unidad de conversión electroquímica presenta, a diferencia de una MEA convencional, por consiguiente, al mismo tiempo un contacto integrado, de forma que, también antes del montaje de toda la célula de conversión de energía, puedan comprobarse la bondad de contacto y las propiedades eléctricas de la unidad de conversión. Como el contacto en esta estructura no tiene que realizarse mediante piezas de carcasa inflexibles de la célula de conversión de energía, es además posible un montaje sin carga de la unidad de conversión. Además, la fragilidad de la unidad de conversión se reduce frente a una MEA convencional en la medida en que como sustrato portador para las demás capas funcionales puede aplicarse un sustrato metálico, que, frente a los sustratos a base de cerámica convencionales, tiene una mayor ductilidad.The electrochemical conversion unit has, unlike a conventional MEA, therefore, at the same time an integrated contact, so that, also before the assembly of the entire energy conversion cell, the goodness of contact and the properties can be checked Electrical unit conversion. As the contact in this structure does not have to be made by inflexible housing parts of the energy conversion cell, a load-free assembly of the conversion unit is also possible. In addition, the fragility of the conversion unit is reduced against a conventional MEA to the extent that as a carrier substrate for the other functional layers a metal substrate can be applied, which, compared to conventional ceramic based substrates, has a higher ductility.
En otra ejecución de la invención, el electrodo positivo presenta una capa de contacto, con la que se produce el contacto con una capa eléctricamente conductora autoportante. Se ha demostrado como apropiado que no sólo el electrodo negativo comprenda un sustrato autoportante, sino que también brinde una ventaja que el electrodo positivo esté provisto de una capa autoportante, que puede estar configurada monolíticamente por ejemplo en forma de una chapa, aunque también puede estar configurada asimismo como en el electrodo negativo en forma de un material metálico poroso. Por consiguiente, también a través del electrodo positivo puede realizarse un flujo deIn another embodiment of the invention, the positive electrode has a contact layer, with which contact with an electrically conductive self-supporting layer occurs. It has been shown as appropriate that not only the negative electrode comprises a self-supporting substrate, but also provides an advantage that the positive electrode is provided with a self-supporting layer, which can be monolithically configured for example in the form of a sheet, although it can also be also configured as in the negative electrode in the form of a porous metallic material. Therefore, also through the positive electrode a flow of
salida lateral de los electrones, donde el contacto con el circuito puede llevarse a cabo lateralmente desde la unidad de conversión diseñada plana.lateral exit of the electrons, where the contact with the circuit can be carried out laterally from the flat designed conversion unit.
Además, puede ser apropiado que la capa eléctricamente conductora autoportante del electrodo positivo esté provista de una capa protectora adicional contra la oxidación. Además, es apropiado que el sustrato autoportante del 5 electrodo negativo y las capas funcionales, así como opcionalmente la capa autoportante del electrodo positivo, estén unidas por adherencia de materiales. Por consiguiente, los sustratos forman alrededor de las capas mencionadas una unidad cerrada y cohesiva, que puede probarse en cuestión de capacidades eléctricas y mecánicas fundamentalmente antes de la instalación en una célula de conversión de energía.In addition, it may be appropriate that the electrically conductive self-supporting layer of the positive electrode is provided with an additional protective layer against oxidation. In addition, it is appropriate that the self-supporting substrate of the negative electrode and the functional layers, as well as optionally the self-supporting layer of the positive electrode, be bonded by adhesion of materials. Accordingly, the substrates form a closed and cohesive unit around the mentioned layers, which can be tested in a matter of electrical and mechanical capacities primarily before installation in an energy conversion cell.
La unidad de conversión electroquímica presenta preferentemente un compuesto estratificado configurado como 10 sigue. Sobre el sustrato metálico poroso autoportante se disponen las siguientes capas funcionales en la secuencia indicada: Primero sigue una capa funcional del electrodo negativo, una capa de electrolito, particularmente un electrolito sólido por ejemplo a base de óxido de circonio reforzado por itrio, a esto le sigue una capa funcional del electrodo positivo, así como la capa de contacto y, a continuación, la capa eléctrica autoportante del electrodo positivo, que, como ya se ha indicado, puede estar configurada en forma de una chapa, de una red o también en 15 forma de un sustrato poroso análogo al sustrato en el electrodo negativo. Entre la capa de electrolito y la capa funcional del electrodo positivo es se dispone también aún una capa de barrera de difusión, que evita que los iones se difundan de la capa de electrolito a la capa funcional del electrodo positivo. La enumerada secuencia de las capas representa una ejecución favorable, aunque pueden ser apropiadas aún otras capas funcionales, que aquí no se citan. La lista no tiene, por consiguiente, ninguna pretensión de exhaustividad.The electrochemical conversion unit preferably has a stratified compound configured as follows. The following functional layers are arranged on the self-supporting porous metal substrate in the sequence indicated: First, a functional layer of the negative electrode follows, an electrolyte layer, particularly a solid electrolyte for example based on yttrium-reinforced zirconium oxide, to this end. it follows a functional layer of the positive electrode, as well as the contact layer and then the self-supporting electrical layer of the positive electrode, which, as already indicated, can be configured in the form of a sheet, of a network or also in 15 form of a porous substrate analogous to the substrate at the negative electrode. Between the electrolyte layer and the functional layer of the positive electrode is also a diffusion barrier layer, which prevents the ions from diffusing from the electrolyte layer to the functional layer of the positive electrode. The enumerated sequence of the layers represents a favorable execution, although other functional layers, which are not mentioned here, may be appropriate. The list therefore has no claim to completeness.
20 Se ha encontrado además apropiado que una pila multicapa, que está formada por el sustrato autoportante, así como por las capas funcionales y, opcionalmente, por la capa autoportante eléctricamente conductora del electrodo positivo y que es componente fundamental de la unidad, tenga una ranura al menos parcialmente circunferencial, en la que durante un montaje de la unidad de conversión pueda insertarse un sello, que sobresalga por encima de la ranura descrita. Esta está alojada en otra ranura de la célula de conversión de energía en una placa interconectora; 25 por consiguiente, se reduce una carga mecánica de la unidad de conversión.It has also been found appropriate that a multilayer battery, which is formed by the self-supporting substrate, as well as by the functional layers and, optionally, by the electrically conductive self-supporting layer of the positive electrode and which is a fundamental component of the unit, has a groove at least partially circumferential, in which during a mounting of the conversion unit a seal can be inserted, which protrudes above the slot described. This is housed in another slot of the energy conversion cell in an interconnecting plate; 25 consequently, a mechanical load of the conversion unit is reduced.
Otras ejecuciones favorables, así como otras características de la invención se describen a fondo en base a las siguientes Figuras, las mismas características en las diferentes ejecuciones están provistas además de los mismos símbolos de referencia. Las características del estado actual de la técnica, que llevan la misma denominación, están provistas de los mismos símbolos de referencia que los utilizados para describir la invención, y se añade una barra 30 adicional a estos símbolos de referencia.Other favorable executions, as well as other features of the invention are fully described based on the following Figures, the same characteristics in the different executions are provided in addition to the same reference symbols. The characteristics of the current state of the art, which bear the same denomination, are provided with the same reference symbols as those used to describe the invention, and an additional bar 30 is added to these reference symbols.
Además muestran:They also show:
Figura 1 la estructura esquemática de una batería electrolito sólido-metal-aire,Figure 1 the schematic structure of a solid-metal-air electrolyte battery,
Figura 2 una unidad de conversión electroquímica,Figure 2 an electrochemical conversion unit,
Figura 3 una unidad de conversión electroquímica,Figure 3 an electrochemical conversion unit,
35 Figura 4 una célula de conversión de energía con una unidad de conversión electroquímica en posición de montaje y Figura 5 una representación ampliada del fragmento V en la Figura 4.Figure 4 an energy conversion cell with an electrochemical conversion unit in mounting position and Figure 5 an enlarged representation of fragment V in Figure 4.
En referencia a la Figura 1 (que pertenece al estado actual de la técnica) debería describirse primero esquemáticamente el modo de acción de una batería electrolito sólido-metal-aire (también batería de óxido recargable del inglés Rechargeable Oxide Batterie (ROB)), en la medida en que esto sea necesario para la presente 40 descripción de la invención. Una estructura habitual de una ROB consiste en que en un electrodo positivo 12', denominado también como electrodo de aire, se insufla un gas del proceso, particularmente aire, a través de una alimentación de gas 8', donde durante la descarga (circuito en el lado derecho del dibujo) del aire se retira oxígeno. El oxígeno pasa en forma de iones de oxígeno O2- a través de un electrolito sólido 32' (capa de electrolito) aplicado al electrodo positivo, a un electrodo negativo 14'. Este está conectado a través de un par redox gaseoso, por 45 ejemplo, una mezcla hidrógeno-vapor de agua con el medio de almacenamiento poroso. Si en el electrodo negativo 14' hubiera una capa densa del material de almacenamiento activo, la capacidad de carga de la batería se agotaría rápidamente.Referring to Figure 1 (which belongs to the current state of the art), the mode of action of a solid-metal-air electrolyte battery (also rechargeable oxide battery of the English Rechargeable Oxide Batterie (ROB)) should first be described schematically. the extent to which this is necessary for the present description of the invention. A common structure of an ROB is that in a positive electrode 12 ', also referred to as an air electrode, a process gas, particularly air, is blown through a gas feed 8', where during discharge (circuit in the right side of the drawing) of the air is removed oxygen. The oxygen passes in the form of oxygen ions O2- through a solid electrolyte 32 '(electrolyte layer) applied to the positive electrode, to a negative electrode 14'. This is connected through a gaseous redox pair, for example, a hydrogen-steam mixture of water with the porous storage medium. If there was a dense layer of active storage material on the negative electrode 14 ', the battery's charge capacity would quickly run out.
Por este motivo es apropiado emplear en el electrodo negativo como medio de almacenamiento de energía una estructura de almacenamiento 2 de material poroso, que contenga un material funcional oxidable como un medio de 50 almacenamiento 44', preferentemente en forma de hierro y óxido de hierro.For this reason it is appropriate to use a porous material storage structure 2 in the negative electrode as an energy storage medium, containing an oxidizable functional material such as a storage medium 44 ', preferably in the form of iron and iron oxide.
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A través de un par redox, gaseoso en el estado de operación de la batería, por ejemplo, H2/H2O, se transportan los iones de oxígeno transportados por el electrolito sólido 32' tras su descarga en el electrodo negativo en forma de vapor de agua a través de los canales de poros del medio de almacenamiento 44'. Dependiendo de si existe un proceso de descarga o de carga, el metal y/o el óxido metálico (hierro/óxido de hierro) se oxida o reduce y el oxígeno necesario para ello es suministrado por el par redox gaseoso H2/H2O o se transporta de vuelta al electrolito sólido. Este mecanismo del transporte de oxígeno a través de un par redox se denomina mecanismo Shuttle (lanzadera).The oxygen ions transported by the solid electrolyte 32 'are transported through a redox pair, gaseous in the operating state of the battery, for example H2 / H2O after discharge into the negative electrode in the form of water vapor through the pore channels of the storage medium 44 '. Depending on whether there is a discharge or loading process, the metal and / or the metal oxide (iron / iron oxide) is oxidized or reduced and the oxygen required for it is supplied by the gaseous redox pair H2 / H2O or is transported back to solid electrolyte. This mechanism of oxygen transport through a redox pair is called the Shuttle mechanism.
La ventaja del hierro como material oxidable, o sea como medio de almacenamiento 44', consiste en que en su proceso de oxidación presenta aproximadamente la misma tensión de reposo de aproximadamente 1 V, que el par redox H2/H2O a una razón de presiones parciales de 1, de lo contrario se origina una elevada resistencia para el transporte del oxígeno a través de los componentes difusores de este par redox.The advantage of iron as an oxidizable material, that is, as storage medium 44 ', is that in its oxidation process it has approximately the same resting voltage of approximately 1 V, as the H2 / H2O redox torque at a partial pressure ratio of 1, otherwise a high resistance to oxygen transport is generated through the diffuser components of this redox pair.
La difusión de los iones de oxígeno a través de la capa de electrolito 32' necesita una alta temperatura de operación de 600 a 800°C del ROB descrito, aunque también para la composición óptima del par redox H2/H2O en equilibrio con el material de almacenamiento es favorable este intervalo de temperatura. En este contexto no sólo la estructura de los electrodos 12', 14' y la capa de electrolito 32' se exponen a una alta carga térmica, sino también el medio de almacenamiento 44'. En los ciclos continuos de oxidación y reducción, el material de almacenamiento activo tiende a sinterizar, es decir, que los granos individuales se amalgaman cada vez más juntos mediante procesos de difusión, la superficie reactiva decrece y la estructura de poro continuamente abierta necesaria para el transporte del gas desaparece. En una estructura de poro cerrada, el par redox H2/H2O no puede seguir alcanzando la superficie activa del medio de almacenamiento 44', de forma que ya tras una descarga parcial del acumulador, la resistencia interna de la batería se vuelve muy alta, lo que evita otra descarga técnicamente conveniente.The diffusion of oxygen ions through the electrolyte layer 32 'requires a high operating temperature of 600 to 800 ° C of the described ROB, but also for the optimal composition of the H2 / H2O redox pair in equilibrium with the material of Storage is favorable this temperature range. In this context, not only the structure of the electrodes 12 ', 14' and the electrolyte layer 32 'are exposed to a high thermal load, but also the storage medium 44'. In the continuous cycles of oxidation and reduction, the active storage material tends to sinter, that is, the individual grains are increasingly amalgamated together by diffusion processes, the reactive surface decreases and the continuously open pore structure necessary for the Gas transport disappears. In a closed pore structure, the redox pair H2 / H2O can no longer reach the active surface of the storage medium 44 ', so that after a partial discharge of the accumulator, the internal resistance of the battery becomes very high, so which avoids another technically convenient download.
Una ventaja del ROB consiste en que puede ampliarse modularmente de manera casi ilimitada mediante su unidad más pequeña, o sea la célula de memoria. Por consiguiente, una pequeña batería para el uso doméstico estacionario puede representarse asimismo como una instalación a gran escala para el almacenamiento de la energía de una central térmica.An advantage of ROB is that it can be extended modularly in an almost unlimited way by means of its smallest unit, that is, the memory cell. Therefore, a small battery for stationary domestic use can also be represented as a large-scale installation for energy storage of a thermal power plant.
En la Figura 1 se indica únicamente una representación esquemática muy simplificada respecto al electrodo positivo 12', la estructura del electrolito 32' y el electrodo negativo 14'. Habitualmente se trata en este contexto en el estado actual de la técnica de una estructura estratificada, que presenta un sustrato cerámico, que consiste por ejemplo en óxido de zinc reforzado por itrio. Este sustrato muy quebradizo se tiene que contactar eléctricamente tanto por la cara positiva 6' como también por la cara negativa 8' de la célula de conversión de energía. Por la cara negativa 8' se lleva a cabo el contacto por ejemplo a través de una red eléctricamente conductora aquí no representada, insertada entre el electrodo negativo 14' y el medio de almacenamiento 44'. Por la cara positiva 6' se lleva a cabo el contacto mediante trabillas 7', que separan canales del dispositivo de suministro de. Estos métodos de contacto son una carga mecánica multi-estática indeterminada, que actúa sobre la estructura del electrodo, se trata además de una estructura de contacto, que sólo puede comprobarse eléctricamente en el estado ensamblado de la célula de conversión de energía, aquí en la forma de la batería metal-aire.In Figure 1 only a very simplified schematic representation is indicated with respect to the positive electrode 12 ', the structure of the electrolyte 32' and the negative electrode 14 '. It is usually treated in this context in the current state of the art of a stratified structure, which has a ceramic substrate, consisting for example of zinc oxide reinforced by yttrium. This very brittle substrate must be electrically contacted both by the positive side 6 'and also by the negative side 8' of the energy conversion cell. On the negative side 8 'the contact is carried out, for example, through an electrically conductive network not shown here, inserted between the negative electrode 14' and the storage means 44 '. On the positive side 6 'the contact is carried out by means of loops 7', which separate channels from the supply device. These contact methods are an indeterminate multi-static mechanical load, which acts on the electrode structure, it is also a contact structure, which can only be checked electrically in the assembled state of the energy conversion cell, here in the Metal-air battery shape.
Para prevenir estos dos inconvenientes fundamentales se presenta según la Figura 2 ejemplarmente una unidad de conversión 4 electroquímica (denominada en adelante unidad de conversión 4), que como sustrato autoportante 16, que es componente de un electrodo negativo 14, presenta una estructura metálica porosa. Esta estructura cerámica porosa que forma el sustrato 16, puede estar configurada por ejemplo en forma de una espuma metálica. En este contexto, se presenta como material por ejemplo una aleación a base de níquel o de hierro, que son considerablemente inertes a las altas temperaturas de proceso descritas de la batería metal-aire.To prevent these two fundamental disadvantages, an electrochemical conversion unit 4 (hereinafter referred to as a conversion unit 4), which as a component of a negative electrode 14, has a porous metal structure, is presented, according to Figure 2. This porous ceramic structure that forms the substrate 16 can be configured, for example, in the form of a metallic foam. In this context, a nickel or iron-based alloy is presented as a material, for example, which are considerably inert at the described high process temperatures of the metal-air battery.
Sobre este sustrato 16 se aplica una capa funcional 30 del electrodo negativo 14. La capa funcional 30 junto con el sustrato 16 forma el electrodo negativo 14. Sobre esta capa 30 sigue una capa de electrolito 32, que contiene un electrolito sólido a base de óxido de circonio reforzado por itrio. Para prevenir la difusión de iones de la capa de electrolito se prevé una capa de barrera de difusión 36 dispuesta entre la capa de electrolito 32 y una capa funcional 34 del electrodo positivo 12. Sobre esta capa funcional 34 del electrodo positivo 12 se aplica una capa de contacto 18, que establece el contacto con una capa autoportante 20 del electrodo positivo 12. La capa autoportante 20 conforme a la Figura 2 es una estructura metálica monolítica, por ejemplo, en forma de una chapa metálica. Esta capa autoportante 20 puede estar opcionalmente rodeada por una capa protectora 22, que es útil particularmente como capa protectora frente a la oxidación.On this substrate 16 a functional layer 30 of the negative electrode 14 is applied. The functional layer 30 together with the substrate 16 forms the negative electrode 14. On this layer 30 follows an electrolyte layer 32, which contains a solid oxide-based electrolyte of zirconium reinforced by yttrium. To prevent the diffusion of ions from the electrolyte layer, a diffusion barrier layer 36 provided between the electrolyte layer 32 and a functional layer 34 of the positive electrode 12 is provided. On this functional layer 34 of the positive electrode 12 a layer is applied. of contact 18, which establishes contact with a self-supporting layer 20 of the positive electrode 12. The self-supporting layer 20 according to Figure 2 is a monolithic metal structure, for example, in the form of a metal sheet. This self-supporting layer 20 may optionally be surrounded by a protective layer 22, which is particularly useful as a protective layer against oxidation.
La capa autoportante 20, si fuera necesario, su capa protectora 22, la capa de contacto 18, así como la capa funcional 34 del electrodo positivo 12 forman juntas, según esta representación, el electrodo positivo 12. En esta forma de ordenación, la capa autoportante 26 está configurada de tal forma, que se formen canales, que son parte de la alimentación del gas de proceso 8. A través de estos canales, el oxígeno llega a la capa funcional del electrodo positivo 12 y después a través de la capa de electrolito 32 al electrodo negativo 14, tal y como esto ya se ha descrito inicialmente.The self-supporting layer 20, if necessary, its protective layer 22, the contact layer 18, as well as the functional layer 34 of the positive electrode 12 together form, according to this representation, the positive electrode 12. In this arrangement, the layer Self-supporting 26 is configured in such a way that channels are formed, which are part of the process gas feed 8. Through these channels, oxygen reaches the functional layer of the positive electrode 12 and then through the layer of electrolyte 32 to negative electrode 14, as this has already been described initially.
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1010
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La capa funcional 34 del electrodo positivo 12, la capa de electrolito 32, la capa de difusión 36, así como la capa funcional 30 del electrodo negativo 14, forman juntas las capas funcionales ya citadas, cada una de las cuales comprende en sí misma un espesor relativamente pequeño, que asciende habitualmente a entre 10 mm y 50 mm. Dado que estas capas en sí no son autoportantes, se aplican sobre el sustrato autoportante 16. Este sustrato metálico, poroso, eléctricamente conductor autoportante 16 se distingue del estado actual de la técnica en que allí en cada caso se usa un sustrato de base cerámica, no eléctricamente conductor monolítico. Mediante la estructura descrita pueden los electrodos fluir de manera plana a través del sustrato 16 y alimentarse a través de una derivación lateral de corriente 46 en un circuito.The functional layer 34 of the positive electrode 12, the electrolyte layer 32, the diffusion layer 36, as well as the functional layer 30 of the negative electrode 14, together form the aforementioned functional layers, each of which comprises in itself a relatively small thickness, which usually amounts to between 10 mm and 50 mm. Since these layers themselves are not self-supporting, they are applied on the self-supporting substrate 16. This porous, electrically conductive, electrically conductive self-supporting substrate 16 differs from the current state of the art in which there is used in each case a ceramic base substrate, not electrically monolithic conductor. By means of the described structure, the electrodes can flow flatly through the substrate 16 and be fed through a lateral current branch 46 in a circuit.
La estructura conforme a la Figura 3 se distingue de la estructura conforme a la Figura 2 únicamente en que como capa autoportante 20 del electrodo positivo se utiliza un cuerpo metálico poroso 24, que puede tener fundamentalmente propiedades similares a las del sustrato 16 del electrodo negativo. Este cuerpo metálico poroso 24 es diferente que el cuerpo metálico monolítico 26 conforme a la Figura 2, permeable al aire, lo que conlleva que pueda prescindirse de los canales de suministro de aire 8. El cuerpo metálico poroso 24 puede, por consiguiente, aplicarse continuamente sobre la capa de contacto 18, los recesos en forma de canales no son aquí necesarios.The structure according to Figure 3 differs from the structure according to Figure 2 only in that as a self-supporting layer 20 of the positive electrode a porous metallic body 24 is used, which can have essentially similar properties to those of the substrate 16 of the negative electrode. This porous metallic body 24 is different than the monolithic metallic body 26 according to Figure 2, permeable to air, which means that the air supply channels 8 can be dispensed with. The porous metallic body 24 can therefore be applied continuously on the contact layer 18, recesses in the form of channels are not necessary here.
La estructura estratificada mostrada en las Figuras 2 y 3 de las capas funcionales individuales, así como sustratos, que forman juntos la unidad de conversión 4 electroquímica conectada por adherencia de materiales, puede calificarse también como pila multicapa 38. Esta pila multicapa 38 puede configurarse de tal forma que diversas capas, representadas aquí ejemplarmente la capa de contacto 18, la capa de difusión 36, así como la capa funcional 34 del electrodo positivo 12 posiblemente también zonas de la capa autoportante 20, así como el sustrato 16 presentan una menor superficie con mayor expansión que las capas corrientes, lo que conlleva que se origine una ranura circunferencial 40, particularmente apropiada para insertar allí un sello 42.The stratified structure shown in Figures 2 and 3 of the individual functional layers, as well as substrates, which together form the electrochemical conversion unit 4 connected by adhesion of materials, can also be qualified as a multilayer stack 38. This multilayer stack 38 can be configured as such that various layers, exemplified here the contact layer 18, the diffusion layer 36, as well as the functional layer 34 of the positive electrode 12 possibly also areas of the self-supporting layer 20, as well as the substrate 16 have a smaller surface with greater expansion than the current layers, which implies that a circumferential groove 40 is originated, particularly suitable for inserting there a seal 42.
En la Figura 4 se representa una posición de instalación de una pila multicapa 38 de las Figuras 2 ó 3 en una célula de conversión de energía 2, particularmente una célula de una batería metal-aire. Esta célula 2 presenta además placas de la carcasa 50 y 50' (también placas interconectoras), que tienen recesos correspondientes para la unidad de conversión electroquímica 4, Además, en estos recesos hay también alojado un medio de almacenamiento 44, donde la disposición exacta no se discutirá en este punto en más detalle. Sin embargo, debería discutirse aquí sobre la disposición del sello 42, que se inserta por un lado entre las partes de carcasa 50 y 50 'de la celda 2, y a su vez sobresale en la ranura 40 de la unidad de convertidor. La unidad de conversión 4 la porta, por consiguiente, el sello 42 insertado en la ranura 40, donde en este contexto debe mencionarse como ventajoso que apenas actúen tensiones mecánicas sobre la unidad de conversión 4, se asegure mediante el contacto lateral 46 ya descrito conforme a las Figuras 2 y 3 con la pieza de carcasa 50 y 50'. Por consiguiente, puede realizarse un considerable desacoplamiento mecánico del MEA de la célula 2 con al mismo tiempo buen contacto. En la Figura 5 hay una representación ampliada del fragmento V en la Figura 4, donde la distribución del sello 42 puede identificarse más claramente, ya que sobresale en la ranura 40 de la unidad de conversión 4. Si fuera necesario, podría preverse una junta 48, por ejemplo, un cordón de soldadura o una unión soldada entre la unidad de conversión 4 y la pieza de carcasa 50, 50'.An installation position of a multilayer battery 38 of Figures 2 or 3 is shown in Figure 4 in an energy conversion cell 2, particularly a metal-air battery cell. This cell 2 also has housing plates 50 and 50 '(also interconnecting plates), which have corresponding recesses for the electrochemical conversion unit 4, In addition, in these recesses there is also a storage medium 44, where the exact arrangement does not It will be discussed at this point in more detail. However, it should be discussed here about the arrangement of the seal 42, which is inserted on one side between the housing parts 50 and 50 'of the cell 2, and in turn protrudes into the groove 40 of the converter unit. The conversion unit 4 is therefore carried by the seal 42 inserted in the slot 40, where in this context it should be mentioned as advantageous that hardly any mechanical stresses act on the conversion unit 4, it is secured by the side contact 46 already described in accordance to Figures 2 and 3 with the housing part 50 and 50 '. Consequently, considerable mechanical decoupling of the MEA from cell 2 can be performed with good contact at the same time. In Figure 5 there is an enlarged representation of the fragment V in Figure 4, where the distribution of the seal 42 can be more clearly identified, as it protrudes in the groove 40 of the conversion unit 4. If necessary, a joint 48 could be provided , for example, a weld bead or a welded joint between the conversion unit 4 and the housing part 50, 50 '.
Además de la verificabilidad separada ya citada de la unidad de conversión 4 integrada, que se relaciona particularmente con la bondad de contacto de los componentes individuales y el montaje libre de carga que una estabilidad mecánica claramente mejorada de toda la estructura, debería mencionarse también, que mediante la célula descrita y la unidad de conversión 4 descrita se reduce muy fuertemente el coste de fabricación de una pila, que consista en varias células 2. Esto conlleva de nuevo un diseño claramente más simple de las piezas de la carcasa 50, 50', o sea las llamadas placas interconectoras. De este modo aumenta el volumen disponible para el medio de almacenamiento 44, lo que conduce de nuevo a una mayor densidad de energía, así como a la disminución de los costes por pila.In addition to the separate verifiability already mentioned of the integrated conversion unit 4, which is particularly related to the goodness of contact of the individual components and the load-free assembly that a clearly improved mechanical stability of the entire structure, it should also be mentioned, that by means of the cell described and the conversion unit 4 described, the manufacturing cost of a battery, consisting of several cells 2, is reduced very strongly. This again implies a clearly simpler design of the housing parts 50, 50 ', that is the so-called interconnecting plates. In this way the volume available for the storage medium 44 increases, which leads again to a higher energy density, as well as to the decrease in costs per battery.
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